Актуальные проблемы наноэлектроники

52

мерный графеновый транзистор, который позволит графену стать новым кремнием.

Графен является поразительным материалом, состоящим из одного слоя атомов углерода, обладающим бесчисленными уникальными свойства-

ми в самых разных областях, начиная с электрической и химической и закан-

чивая оптической и механической.

Одним из множества потенциальных способов применения графена может стать использование его в качестве базового материала компьютерных чипов, вместо кремния. Такая перспектива уже успела привлечь крупных из-

готовителей чипов, включая IBM, Samsung, Texas Instruments и Intel. Отдель-

ные графеновые транзисторы с очень высокими частотами (до 300 Гц) уже были продемонстрированы множеством групп по всем миру.

К сожалению, эти транзисторы не могут быть плотно упакованы в ком-

пьютерном чипе, поскольку уровень утечки тока слишком велик, даже для графена в наиболее непроводящем ток состоянии. Этот электрический ток приведет к расплавлению чипа в доли секунды.

Эта проблема преследует графеновые транзисторы с 2004 года, когда манчестерские исследователи сообщили об открытии графена. Несмотря на усилия мирового научного сообщества, с тех пор не было обнаружено реше-

ния данной задачи.

Ученые из Манчестерского университета предложили использовать графен не в горизонтальной, как во всех предыдущих исследованиях, а в вер-

тикальной плоскости и создали так называемый туннельный диод.

Доктор Леонид Пономаренко, который проводил экспериментальную работу, сказал: "Мы испытали концептуально новый подход к графеновой электронике. Наши транзисторы хорошо себя показали. Я считаю, что они могут быть значительно улучшены, уменьшены в размерах до нанометровых величин и доведены до суб-Тгц частот".

53

«Продемонстрированные транзисторы важны, но концепт атомной слоеной сборки, пожалуй, еще важней», - пояснил профессор Гейм. Профес-

сор Новоселов добавил: "Туннельные транзисторы - только один пример из неисчислимого количества возможных слоеных структур и новых устройств,

которые могут быть созданы подобным образом. Это открывает неисчисли-

мые возможности, как для фундаментальной физики, так и для практического применения. Другие возможные примеры включают светодиоды, фотогаль-

ванику и так далее.

В новых экспериментах, напротив, использовался самый обычный гра-

фен, но структуру транзистора постарались сделать оригинальной. На стан-

дартную пластину окисленного кремния исследователи нанесли сравнитель-

но толстый слой гексагонального нитрида бора (hBN), который сыграл роль высококачественной атомарно-гладкой подложки. Поверх hBN учѐные по-

ложили графен, закрытый тонкой прокладкой из гексагонального нитрида,

выполняющей функции изолирующего барьера, и ещѐ одним монослоем атомов углерода. Последним элементом сложной конструкции, напоминаю-

щей сэндвич, стал второй толстый слой hBN.

При испытаниях устройства с такой «вертикальной» компоновкой фи-

зики прикладывали управляющее напряжение Vg между кремниевой под-

ложкой и нижним графеновым электродом GrB, наблюдая за тем, как это по-

влияет на величину туннельного тока I. В результате выяснилось, что ток чѐтко следует за изменениями Vg, причѐм отношения значений туннельной проводимости σ = I/Vb (Vb — напряжение смещения, прикладываемое между монослоями атомов углерода), измеренной на разных Vg, доходили до ~50.

Вольт-амперные характеристики транзисторов, снятые при температуре жид-

кого гелия и в комнатных условиях, практически совпадали.

По мнению авторов исследования, транзисторы нового типа весьма перспективны: они способны работать на очень высоких частотах и выгодно отличаются тем, что их поперечные размеры можно снизить до ~10 нм. По-

скольку никаких жѐстких ограничений на величину отношения токов в от-

54

крытом и закрытом состоянии нет, в будущем, при оптимизации структу-

ры и использовании более качественных диэлектриков (замене SiO2), она также должна заметно подняться.

Полная версия отчѐта опубликована в журнале Science; препринт ста-

тьи можно скачать с сайта arXiv.

3.2. Самосборка при эпитаксии. Осаждение пленок Лэнгмюра-Блоджетт.

Саморегулирующиеся процессы Саморегулирование является одной из наиболее общих закономер-

ностей в природе. Оно осуществляется различными путями, но всегда с одной общей целью – обеспечить наибольшую устойчивость системы.

3.2.1. Самоупорядочение Самоупорядочение – это процесс адсорбции и специфического рас-

положения молекул на твердой поверхности. Его движущей силой является хемосорбция, которая в особенности проявляется в высокоэнер-

гетических реакциях между адсорбантом и адсорбирующей поверхно-

стью. В отличие от сильного взаимодействия между адсорбируемой молекулой и поверхностью, взаимодействие между самими молекулами остается слабым. В органическом и неорганическом мире существует боль-

шое количество примеров самоупорядочения. Пленки мономолекулярной толщины, образовавшиеся по механизму самоупорядочения, имеют

очень низкую плотность дефектов, достаточно стабильны и механически прочны. Их используют в качестве трафарета в литографических процес-

сах. При этом нанометровое разрешение достигается с использованием сканирующих зондов в сканирующем туннельном или атомном силовом микроскопе.

55

ции позиционирования и распознавания лучше реализуются с ис-

пользованием органических групп, нежели неорганических, хотя элек-

тронные свойства последних изучены более глубоко. Комбинирование различных по составу групп постоянно рождает новые формы самоупоря-

дочения.

3.2.2. Самосборка

Здесь используют самопроизвольную организацию малых молекул в большие, строго определенные, стабильные молекулярные комплексы или

агрегаты и осаждение атомов или молекул на подложку с последующим

самоупорядочением в полезные для разных приложений наноструктуры. За-

частую слабые обратимые взаимодействия между частями молекул по-

зволяют получать равновесные структуры без какого-либо централизо-

ванного управления процессом. Процедура автоматически исправляет ошиб-

ки, то есть ошибочно или неправильно прикрепленные элементы могут быть заменены во время роста. Разнообразные процессы самосборки ис-

пользуют слабые, нековалентные связывающие взаимодействия, например,

ем ошибок. Типов исходных молекул обычно немного, они небольшие и лег-

ко синтезируемые, а конечный продукт получается в термодинамически

Co, сплавов Fe-Pt, Au-Ag, наноструктур CdS/CdSe, CdSe/CdTe, Pt/Fe, Pd/Ni и

т.д. Кроме того, для анизотропных наночастиц удалось добиться форми-

рования ориентационно-упорядоченных массивов. Однородные по размеру наночастицы можно «собрать» в пространственно-упорядоченные струк-

туры, представляющие собой одномерные «нитки», двумерные плотно упакованные слои, трехмерные массивы или «малые» кластеры. Тип ор-

ганизации наночастиц и структура образующегося массива зависят от усло-

вий синтеза, диаметра частиц, природы внешнего воздействия на структуру.

56

Сегодня известны различные методы самосборки, позволяющие получать полезные упорядоченные структуры из микрочастиц. Для создания осо-

бых условий, при которых в конкретной системе происходит самосборка,

могут быть использованы гравитационное, электрическое или магнитное поле, капиллярные силы, «игра» на смачиваемости-несмачиваемости ком-

понентов системы и другие приемы. В настоящее время процессы само-

сборки начинают активно использоваться и в производстве. В частности,

известная компания Intel внедряет процессы самосборки для создания компьютерных чипов нового поколения.

Самостоятельная работа студента. Темы рефератов

1.1. к Разделу 1 Актуальные проблемы получения и производства материалов наноэлектроники.

1. Технология тонких пленок и многослойных структур. Введение. Ме-

ханизмы эпитаксиального роста тонких пленок. Жидкофазная эпитак-

сия. Газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений. Молеку-

лярно-лучевая эпитаксия. Установка МЛЭ.

2. Новое поколение широкозонных полупроводниковых материалов

(нитрид галлия, GaN) и приборов (гетероэпитаксиальные структуры

(ГЭС) типа AlGaN/GaN).

3.Современные электроизоляционные компаунды.

4.Основные полупроводниковые материалы и изделия.

1.2. к Разделу 2 Актуальные проблемы наноэлектроники.

1.Снижение потребляемой мощности интегральных микросхем при со-

хранении высокого быстродействия – одна из важнейших проблем микроэлектроники.

2.Тенденции развития, новые направления и прогноз развития микро- и

наноэлектроники.

3.Российская микроэлектроника 2012/2013: итоги и прогнозы.

58

7.Расскажите о молибдените, его свойствах, методах получения и перспективных полупроводниковых приборах на его основе

8.Что такое графен, опишите структуру материала и его уникальные свойства.

9.Опишите известные Вам способы получения графена.

10.За что получили Нобелевскую премию Андрей Гейм и Константин Новосѐлов.

11.Опишите свойства монослойного и двухслойного графена.

12.Опишите методы получения пластин графена больших размеров, пригодных для массового производства графеновых интегральных схем.

13.Что такое графин, опишите структуру материала, методы получения и его уникальные свойства.

14.Что такое карбин, опишите структуру материала, методы получения и его уникальные свойства.

15.Что такое германан, опишите структуру материала, методы получения и его уникальные свойства.

16.Кто такой Гордон Мур и какой закон носит его имя и о чем говорит этот закон? Каким способом был получен закон Мура ?

17.Что такое БИС и СБИС, технологические основания их появления ?

18.Каковы принципиальные качественные изменения, связанные со значительными уменьшениями размеров элементов ИС, нанотехнологии.

19.Назовите и опишите основные проблемы перехода от микро - к наноэлектронике.

20.Способы преодоления проблемы нано–№1

21.Способы преодоления проблемы нано–№2

22.Способы преодоления проблемы нано–№3

23.Каковы минимально возможные размеры диодов и транзисторов?

24.Что такое high–k технология и для чего она нужна.

25.Назовите новые подходы к к созданию электроники наноразмерных элементов и наноструктур.

59

26.Расскажите об организации передачи сигнала с использованием спиновых волн.

27.Что такое многократное использовании электронов в наноструктурах

28.Что такое углеродные нанотрубки и кремниевые нанопровода

29.Принцип квантования и квантовое ограничение.

30.Квантовые ямы, нити, точки.

31.Транспорт носителей заряда вдоль потенциальных барьеров

32.Туннелирование носителей заряда

33.Спиновые эффекты.

34.Опишите первые транзисторы на графене.

35.Опишите графеновую транзисторную технологию GNRFET

36.Опишите устройство полевого графенового транзистора

37.Расскажите о высокоскоростных графеновых транзисторах, их устройстве и конструкции.

38.Расскажите о высокоскоростных графеновых транзисторах и их технических характеристиках.

39.Расскажите о перспективах развития наноэлектроники в России

40.Традиционные методы осаждения пленок.

41.Методы, использующие сканирующие зонды.

42.Нанолитография.

43.Саморегулирующиеся процессы.

44.Лазеры с квантовыми ямами и точками.

45.Фотоприемники на квантовых ямах.

Библиографический список

1.Смирнов В.И. Физико-химические основы технологии электронных средств: учебное пособие / В. И. Смирнов.− Ульяновск: УлГТУ, 2005.− 112 с.

2.А. Асеев, В. Попов. Фундаментальные проблемы материаловедения полупроводникового кремния// Наука в Сибири.–№ 2 (2238).– 14 января 2000 г.

60

3.А. Двуреченский, Н. Придачин. После кремния будет кремний // Нау-

ка в Сибири.– № 10 (2246) .– 10 марта 2000 г.

4.B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti & A. Kis. Singlelayer MoS2 transistors // Nature Nanotechnology.– 2011 .– v. 6 .– p. 147–150.

5.MoS2 Integrated Circuits [Электронный ресурс] // École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures

(LANES). URL: http://lanes.epfl.ch/cms/site/lanes/lang/en/mos2ic-news (дата

обращения: 25.12.2011).

6.K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films // Science .– 2004./p. 666-669.

7.А.К. Гейм. Случайные блуждания: непредсказуемый путь к графену.

Нобелевская лекция. Стокгольм, 8 декабря 2010 г. // УФН .– Т. 181 .– № 12.–

с.1284–1298.

8.Zhihong Chen, Yu-Ming Lin, Michael J. Rooks, Phaedon Avouris. Graphene nano-ribbon electronics // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. – v. 40 .– p. 228–232.

9.Alfonso Reina, Xiaoting Jia, John Ho, Daniel Nezich, Hyungbin Son, Vladimir Bulovic, Mildred S. Dresselhaus and Jing Kong. Large Area, Few-Layer Graphene Films on Arbitrary Substrates by Chemical Vapor Deposition // Nano Letters.– 2009.– v. 9 (1), p. 30–35.

10.Hyesung Park, Jill A. Rowehl, Ki Kang Kim, Vladimir Bulovic and Jing Kong. Doped graphene electrodes for organic solar cells // Nanotechnology.–

2010.– v.21.– p. 1 – 6.

11. X.Li, W. Cai1, J. An, S. Kim, J. Nah, D. Yang, R. Piner, A. Velamakanni, I. Jung, E. Tutuc, S. K. Banerjee, L. Colombo and R. S. Ruoff. Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils // Science.– 2009.– Vol. 324.–№. 5932ю–p. 1312-1314.

12. Suzanne Deffree. University produces 100-mm graphene wafers [Электрон-

ный ресурс]//Electronics Design News, February 3, 2010. URL: http://